第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)

第二章金屬材料結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是指組成固體相的原子、離子或分子等粒子在空間的排列方式。按粒子排列是否有序,固體材料可分為晶態(tài)(定型態(tài))和非晶態(tài)(無定型態(tài))兩大類。一、晶體結(jié)構(gòu)1、晶體、晶格和晶胞晶體：指微粒呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)

常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性、有固定的熔點。非晶體：指微粒呈無規(guī)則排列的固體物質(zhì)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)1）晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架，稱為晶格。直線的交點（即原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間的陣列稱空間點陣。2）晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元.3）晶胞的描述

晶體學(xué)參數(shù)：a,b,c,α,β,γ晶格常數(shù)：a,b,c立方六方四方菱方正交單斜三斜2.同素異晶現(xiàn)象同素異晶現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。所形成的具有不同結(jié)構(gòu)的晶體稱同素異晶體。在一定條件下,同素異晶體可以相互轉(zhuǎn)變,稱同素異晶轉(zhuǎn)變。在具有同素異晶現(xiàn)象的固體中,最典型的例子是鐵,其同素異晶轉(zhuǎn)變過程將在后面介紹。第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)1）體心立方晶胞BCCBodyCenteredCube晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：原子個數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等一、常見金屬晶體的結(jié)構(gòu)2）面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube

晶格常數(shù)：a原子個數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等3)密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，c/a=1.633原子個數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等二、合金的基本概念

1、合金由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

普通黃銅：Cu+Zn

45鋼:鐵碳合金合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達到的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、強磁性、耐蝕性等。2、組元組成合金的獨立的，最基本的單元。合金系：若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物。3、相在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會出現(xiàn)相的變化。純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。5、組織組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。6、合金的相結(jié)構(gòu)

液態(tài)大多數(shù)合金的組元都能相互溶解，形成均勻的液體，在固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)主要有組元在結(jié)晶是彼此之間的作用而決定。根據(jù)組元之間的相互作用不同，合金的相結(jié)構(gòu)分：

固溶體在一種金屬元素的晶格中，溶入另一種或多種元素所形成的相；在固溶體中保持其原晶體結(jié)構(gòu)的組元（元素）—溶劑，其余的元素（組元）—溶質(zhì)。按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置不同，可將固溶體分兩類：置換固溶體和間隙固溶體。固溶體的性能固溶體與純金屬相比強度、硬度升高。固溶體的強度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。固溶強化的原因：

由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強度和硬度。金屬化合物它是合金組元按一定比例相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物的性能金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點高，硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬間化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。金屬間化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及許多有色金屬的重要組成相。當(dāng)金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性(此現(xiàn)象稱為彌散強化)。機械混合物工業(yè)合金中其組織僅由化合物單相組成的情況是不存在的。因為化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，無法應(yīng)用。固溶體組成的合金，往往由于強度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織均為固溶體與少量化合物(一種或幾種)所構(gòu)成的機械混合物。合金的性能取決于其形態(tài)、大小、數(shù)量、種類等。二、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

理想晶體+晶體缺陷——實際晶體

實際晶體——單晶體和多晶體

單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，各向異性1．晶體缺陷：實際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分

a.點缺陷——晶格結(jié)點處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位

晶格結(jié)點處無原子置換原子

晶格結(jié)點處為其它原子占據(jù)間隙原子

原子占據(jù)晶格間隙空位間隙原子小置換原子大置換原子點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而強度、硬度提高，塑性、韌性下降。

刃型位錯螺型位錯b.線缺陷(位錯)—二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排

位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。有刃型位錯和螺型位錯兩種類型。c.面缺陷

一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域。分為晶界、亞晶界、表面等。晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5－10個原子間距，位向差一般為20－40°。位向差很?。?°－2°)的小晶塊為亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁。

第三節(jié)純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過程二、細化晶粒的方法霧凇一、純金屬的結(jié)晶過程（一）純金屬結(jié)晶的冷卻曲線

1.結(jié)晶驅(qū)動力

ΔF≤0（不是過冷度ΔT）自然界的自發(fā)過程進行的熱力學(xué)條件都是ΔF≤0

體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能→U，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫自由能→F，F(xiàn)=U-TS（熵）

a.當(dāng)溫度T>T0時，F(xiàn)s>FL,

液相穩(wěn)定b.當(dāng)溫度T<T0時，F(xiàn)s<FL,

固相穩(wěn)定c.當(dāng)溫度T=T0時，F(xiàn)s=FL,

平衡狀態(tài)

T0：理論結(jié)晶溫度（熔點或平衡結(jié)晶溫度）在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)2.冷卻曲線金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的。

純金屬的冷卻曲線（二）結(jié)晶的過冷現(xiàn)象液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度。T=T0–T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。（三）結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。1、形核液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下，經(jīng)一段時間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。晶核形成后便向各方向生長，同時，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。3、晶核的長大方式

晶核的長大方式有兩種，即平面長大和樹枝狀長大。實際金屬的結(jié)晶主要以樹枝狀長大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。平面長大樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標(biāo)準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準圖對照來評級。二、細化晶粒的方法

1.晶粒度2.決定晶粒度的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時間內(nèi)晶核生長的長度過冷度對N、G的影響叫長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷度ΔT太高，D降低——N降低、G降低所以，過冷度ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，細化3.細化晶粒的方法①提高過冷度②變質(zhì)處理又稱孕育處理。即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。③振動，攪拌等對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可

靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可

使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

一種金屬具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu),稱為同素異構(gòu)性。金屬在固態(tài)時隨著溫度的改變,而改變其晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,又稱為重結(jié)晶。它同樣遵循著形成晶核和晶核長大的結(jié)晶基本規(guī)律。

如圖所示，純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的冷卻曲線。在1538℃～1394℃時,鐵為體心立方晶格,稱為δ鐵；在1390℃～912℃時,鐵為面心立方晶格,稱為γ鐵；在912℃以下時,鐵為體心立方晶格,稱為α鐵。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有體積的變化。α鐵轉(zhuǎn)變成γ鐵時體積縮小,反之體積增大。晶體體積的改變,使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。鐵在770℃產(chǎn)生磁性轉(zhuǎn)變,但晶格結(jié)構(gòu)沒有改變。770℃以上鐵失去磁性。純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉(zhuǎn)變所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質(zhì)①分類a.按溶質(zhì)原子的位置分置換固溶體其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶質(zhì)原子點陣位置的固溶體。晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學(xué)性質(zhì)相近.間隙固溶體

溶質(zhì)原子位于溶劑原子點陣的間隙位置中的固溶體，

原子半徑較小。b.按溶解度分有限固溶體無限固溶體c.按分布有序度分有序固溶體無序固溶體

②固溶強化

由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。

溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯運動阻力上升→金屬塑性變形困難→強度、硬度升高。

2、金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的Fe3C⑴正常價化合物—符合正常原子價規(guī)律。如Mg2Si。⑵電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。⑶間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。①間隙相：r非/r金0.59時形成的具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如:Fe4N、Fe2N、W2C、TiC、VC、TiN等。Fe3C的晶格②具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)r非/r金>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格?；衔镆部扇苋肫渌卦樱纬梢曰衔餅榛墓倘荏w。3、機械混合物當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解,又不形成化合物,而是按一定質(zhì)量比、以混合方式存在的結(jié)構(gòu)形式稱為機械混合物。機械混合物中各組元的原子仍按各自原來的晶格類型結(jié)晶成晶體,在顯微鏡下可以區(qū)別出各組元的晶粒。機械混合物可是純金屬、固溶體或化合物各自的混合物,也可是它們之間的混合物。第五節(jié)勻晶相圖一、二元合金相圖的基本知識

二、二元合金相圖三、合金的結(jié)晶一、二元合金相圖的基本知識

1.相圖的基本概念相圖是用來表示合金系中各合金結(jié)晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。合金系是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質(zhì)。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如Fe-C合金中的Fe3C。相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖三元相圖幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。2、相圖的建立Ⅰ：純銅

Ⅱ：75%Cu+25%Ni

III：50%Cu+50%Ni

Ⅳ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：純Ni

二元相圖的建立：[以Cu-Ni合金(白銅)為例]1、配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。2、在溫度-成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點標(biāo)在成分垂線上。3、將垂線上相同意義的點連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖中，結(jié)晶開始點的連線叫液相線。結(jié)晶終了點的連線叫固相線。Cu-Ni合金相圖﹡3、杠桿定律當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量百分比?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：⑴確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。⑵確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金(x)的總重量為1，液相(x1)重量為QL，固相(x2)重量為Q。則QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：或oobbxx1x2QLQ上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)無必要使用，三相區(qū)不能使用。合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，在結(jié)晶過程中固相中的原子來不及擴散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4、枝晶偏析在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火。通過擴散退火可使原子充分擴散，使成分均勻。二、二元相圖的基本類型1、二元勻晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系→勻晶相圖（L→α），如Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr，Au-Ag。（3）勻晶轉(zhuǎn)變的特點a.形核、長大，樹枝狀長大b.變溫過程c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成分確定、兩相相對量一定d.枝晶偏析，冷速快→原子擴散不充分→成分不均。擴散退火消除。（1）相圖分析：液相線

固相線

L

a

L+a（2）勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程L→L+a→a﹡2、共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的合金系構(gòu)成共晶相圖，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu（1）相圖分析液相線

adb固相線

acdeb三個單相區(qū)：L、α、β（α、β是有限固溶體）共晶點：d共晶成分的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度），共同結(jié)晶出αc、βe

共晶反應(yīng)線：cde溶解度線：cf，egT↓→過飽和固溶體析出另一相→脫溶轉(zhuǎn)變組織標(biāo)注相圖：所謂共析反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變:S?P+Fe3